本课毕业设计说明书 功率表的设计与制作摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。本论文详细的阐述了功率测量系统的设计思路和具体设计步骤。依据单片机的接口技术的原理，以测量功率为主要设计意图。以单片机为核心，着重的介绍了51单片机在系统中的重要地位，以及其外围硬件电路的芯片结构特点、功能和管脚知识。集测量、显示等功能于一体，设计完整、结构清晰、操作简单。在本设计中，是采用对电路中电压和电流分别进行采样，再经模数转换器ADC0809，将模拟量变为对应的数字量，利用6合一的数码管显示电压和功率。本文详细论述了硬件电路的组成。利用单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出。关键词 单片机 模数转换 功率表 采样正文1 引言 近年来，随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展，给电力系统测量也带来了巨大的革命。提高电能测量技术-改机械式功率表为智能型数字功率表已成为时代的要求。电力测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心，配置一定的外围电路和软件，能够实现多种功能。在软件和硬件的设计中，系统的抗干扰性和系统的实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。单片机具有成本低、可靠性高、应用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是一条可行的道路。在电工与电子技术应用中,经常要测量功率。它是利用通有电流的可动线圈在另一个通电线圈形成的磁场中产生转动力矩而工作的仪表,其显著缺点是结构复杂、过载能力较差，本身消耗功率较大,且易受外磁场的影响，同时这样的功率表一般都是多量程的，在测量过程中需有电压表和电流表配合选定电压和电流量程，在选择不同的电压和电流量程时，刻度盘上每一分格代表不同的瓦特数，读得格数需要进行换算才能得出所要测量的功率,致使测量很不方便。另外在功率测量中，经常遇到被测电路的功率因数很低的情况,这时必须采用专门的低功率因数功率表。基于功率表是电工仪表中最常用的一种仪表，目前常用的是指针式电动系功率表。而为了更为精确的显示测量结果，数字功率表的设计成为了必然。在本设计方案中，采用的方案是先采样电压和电流。采样计算功率电能测量技术是随着计算机技术而发展起来的，它是建立在数值分析基础上，通过快速S/H 放大器和A/D 转换器对连续变化的模拟信号进行离散化，用数字量运算代替模拟量运算测量交流电参量的新方法。经过二十多年的探索发展和深入研究，出现了同步采样算法、准同步采样算法、非同步采样算法、加窗函数法、补偿法、双速率采样法、非均匀采样法、随机采样法、模拟数字混合采样法、小波函数法等等。这些采样测量方法在实践中，有的发展得较为完善成熟，有的正处在发展和探索阶段。但是，采样测量理论在电功率电能测量仪器仪表及相关设备的发展与应用中，已起到举足轻重的作用，是电气测量当前发展的一个重要方向。采样测量法的研究历史和发展现状采样测量法，也称作数字采样测(Digital Sampling Measurement)英文简称DSM法，它是七十年代初诞生的。1974 年，当时美国NBS（国家标准局）的R.S.Turgel博士首次将计算机数字采样技术应用于电功率测量，应用数值积分的方法计算测量功率。R.S.Turgel根据此原理研制了第一台DSM数字功率表。由于R.S.Turgel采样方法采用了锁相倍频跟踪信号技术，能对被测信号在一个周期内进行整数分割采样，使采样周期与信号周期完全同步，所以，R.S.Turgel使用的锁相信号倍频采样方法被称作同步采样法SSM (Synchronus Sampling Measurement)。 功率表在频率从DC 到1KHz的范围内与NBS的电动式功率标准进行了对比，结果两种测量方法的不一致性小于0.02%。1975年，英国NPL（国家物理实验室）应用DDM技术设计了采样式数字功率表，并作为传递功率的标准。在SSM 方法的发展中，英国Hull大学的John J. Hill与NEI电力公司的W.E.Alderson提出了软件锁相倍频的SSM 方法，并研制了频率范围到1KHz、准确0.5%的功率表，两位学者指出SSM方法在电力系统监控与电机保护等领域中，将有相当大的实际意义。在英国DSM功率测量技术与仪表的发展中，C.H.DIX起了重要作用，C.H.DIX于1982年发表论文，首次阐明SSM功率测量方法在正弦信号和非正弦信号情况下的误差问题，并指出，在正弦周期信号下，采样点为n，在被测信号m个周期采样，只要2m/n不为整数，则功率测量误差为零。尽管当时对DSM误差的研究是简单的，但这标志着对DSM功率测量方法研究向前一个跨越式发展。八十年代是DSM功率测量方法发展最快的时期。1982年，美国通用电机研究室(General Motors Research Laboratories)的DSM采用M.F.Matouka方法设计了数字功率电能表，并且用于电气汽车驱动系统的测试和交流电机的测试中，取得了成功。近二十多年来,电能的测量和管理发展很快,逐渐成为一个专门的领域,但是由于电能测量较电压、电流等的测量复杂和困难,故测量的准确度低,通常的测量仪器为210级,015级就已是标准仪器了。实现功率测量必须有一个能将两输入电量相乘的电路结构,目前数字功率表大多使用称为时间分隔乘法器的一种模拟乘法电路来实现相乘。时间分隔乘法器又称脉冲宽度高度调制乘法器,它通常具有优良的静态精度,在相当宽的温度范围内可以达到千分之一,然而,由于这种乘法器输出滤波器的固有相移,使之受到严重的动态限制. 即使三角波的频率达到兆赫兹范围,乘法器的带宽仍然很有限,典型- 3 dB 带宽可能在1 KHz 以下。 另外,时间分隔乘法器的电路比较复杂,调整也较繁琐,尽管如此,在静态精度要求较高的场合,这种方法还是经常采用的。随着微机的普及和发展,出现了应用微处理器进行数字乘法运算的新型功率表采样功率表。 1.1 功率表的定义功率的定义是在单位时间内所做的功。电学上的定义为。单位为W，这称为平均功率或有效功率。角度为I和E之间的相位角，称为功率因素。在直流电路中，功率的表示式为P=UI；在交流电路中，功率的表示式为。很显然，要利用一个装置来测量功率，就须反映电压和电流的乘积，这无论用电动学测量机械仪表或数字测量仪表均可完成。目前使用最多的前者由于其准确度不高，仪表的读数易受外磁场的影响、仪表本身耗功大、过载能力小、表盘刻度不均匀，已不能完全适应人们快速有效的工作生活节奏；随着科技业飞速发展，数字功率表由于精度高、频带宽，不仅可以用于校准指针式功率表，也适合在现场进行功率的快速测量。在今天的数字时代，其应用前景是非常广阔的。 1.2 功率的数字测量 用功率转换器与数字电压表相配就可以实现功率的数字测量。功率转换器实质上就是一个电子乘法器，其特点是它的输出电压的大小正比于它的两个输入电压数值的积。因此，如果让一个输入电压正比于负载电压的大小，而另一个输入电压正比于负载电流的大小，则电子乘法器的输出电压，显然正比于负载所消耗的功率。再用数字电压表测量这个乘法器的输出电压就可以确定被测功率。当数字电压表显示值按功率接校准时，也就构成了数字功率表。1.3功率测量方案论证与比较方案一、测量模拟电压用伏频（V/F）转换器，可将相应的电压转化为相应的频率，提高测量的精确度，对应比例为1mV/Hz。用该方案求功率，也是要分时取电压电流的模拟量，再转换为频率，最后用软件处理，实现功率测量。专用的V/F转换器有AD650、AD654等。方案二、利用采样电路分别对电压和电流进行采样，将电流转换成电压，再经乘法电路将两路电压相乘，再经模数转换器，模拟量变为对应的数字量，若要使测量的精度尽量高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。原理框图如图1所示：方案三、可利用专门的IC来实现，如AD534芯片，该芯片既可采样电压，又可采样电流，并将相应的模拟电压，电流转换为对应的数字量，再将转换后的电压，电流相乘，便可得到所求功率。功能描述：输入电由三个相同的电压转换电流的转换器转换为不同的电流，功能框图如图2所示：图2 功能框图转换功能框图如图3： 图3 转换功能框图方案四、采用锁相环技术测量功率。锁相就是相位同步的自动控制，完成两个电信号相位同步自动控制系统称为锁相环（简称PLL）。因测量功率的两个参数电流、电压的获取不是同时采样的，故需要利用锁相环技术测量功率。由下图可见，锁相环由3个基本单元构成：相位比较器PC、电压控制震荡器VCO、低通滤波器LPF。 施加于相位比较器有两个信号：输入信号，压控震荡器输出信号，相位比较器输出信号，经低通滤波器后得到一个平均电压，这个电压控制震荡器的频率变化，使输入与输出信号的频率之差减小，直到差值为零，此时即是锁定。当锁定后，VCO能使其输出信号的频率跟随输入信号频率变化。利用锁相技术可以实现在电网电压及电流波形发生畸变时进行同步跟踪采样。每个周波的采样点数可PC LPFVCOuc(t)us(t)u0 (t)ud(t)根据需要选择。 图4 转换功能框图方案五、利用采样电路分别对电压和电流进行采样，再经模数转换器，模拟量变为对应的数字量，再经处理器处理数字量，若要使测量的精度尽量高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。原理框图如图1所示：电压采样电流采样AD转换AD转换数据处理（乘法 运算）输出结果图5 转换功能框图2 采样功率表的基本原理功率若以U ( t) 和I ( t) 分别表示信号的电压和电流,则在测量时间T 期间内( T 通常为周期信号周期的整数倍) 信号的平均为: (2-1)若对信号进行采样,得到离散的时间序列U ( k) 和I ( k) ,则信号的平均功率可以表示为: (2-2)其中N 为时间T 内采样的对数。从上述原理出发,组成采样功率表的框图如图5所示: 图5 功率表的原理框图显然,数字乘法和数字累加可以由微处理机来完成,若使用普通的微处理机芯片如Z80 、8031 等组成功率表,外围电路至少要二路高速A/ D 转换器和二路周期测量机构,电路是比较复杂的。随着集成电路的发展,目前出现了一些高性能的微处理芯片,如计算功能较强的16 位嵌入式控制器8097 ,它有八路转换时间为22s 的10 bitA/ D 转换器,可以实现对电压和电流信号的采样保持和A/ D 变换;四路高速输入(HSI) 通道可以用来测量电压和电流信号的周期和相位等。若8097 实现采样功率表,则模拟电路部分只需要用于电压匹配的放大器和用于频率和相位测量的整形电路就可以了,实现起来非常简单。3 主要芯片的介绍3.1 A/D 转换芯片ADC0809的结构ADC0809是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的，ADC0809的内部结构如图6所示。ADC0809由单一的+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约为100us；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上；通过适当的外接、电路，ADC0809可对0-5V的双极性模拟信号进行转换。 图6 ADC0809的引脚图ADC0809